دینامیک سیالات محاسباتی (CFD ) چیست؟
دینامیک سیالات محاسباتی تحلیل جریانهای سیالاتی به کمک روشهای حل عددی میباشد. به کمک CFD شما قادر خواهید بود تا مسائل پیچیدهی سیالاتی را شبیهسازی کنید. دینامیک سیالات محاسباتی دانشی است که به کمک کامپیوترهای محاسباتی و براساس قوانین بقاء جرم، مومنتوم و انرژی، تخمینهای عدد از پدیدههای سیالاتی ارائه میکند. این محاسبات در هندسهی جریان صورت میگیرد و به مشخصات فیزیکی سیال، شرایط مرزی و شرایط اولیه وابسته است.
تمرکز محاسبات عمدتا بر متغیرهای مشخصی از جریان سیال نظیر فشار، دما و سرعت در یک زمان انتخابی و معین میباشد. به کمک نتایج حاصل از محاسبات میتوان رفتار کلی جریان را مثل یا نیروهای هیدرودینامیکی که به یک شیء وارد میگردد، بررسی کرد.
در طول دهههای گذشته روشهای عددی مختلفی برای شبیهسازی جریان سیال ابداع شده است. این روشها شامل روش تفاضل محدود، روش المان محدود، روش حجم محدود و روشهای طیفی میباشد. با گذشت زمان اهمیت و دقت دینامیک سیالات محاسباتی نیز افزایش یافت. با این حال تخمینهای حاصل از این ابزار هیچگاه جایگزین حل دقیق برای پدیدههای سیالاتی نخواهد بود. به دلیل وجود پتانسیل خطاهای متعدد، در تفسیر نتایج حاصل بایستی دقت لازم به عمل آید، عمدهی منابع خطا را میتوان در موارد زیر عنوان کرد.
خطای گسستهسازی : این خطا یک خطای رایج در تمام روشهای محاسباتی است و هنگامی پدیدار میگردد که دستگاه معادلات پیوسته با گسستهسازی تقریب زده میشود. به عنوان مثال تعداد محدود نقاط محاسباتی در جریان سیال یا در نظر گرفتن زمان مشخص برای شبیهسازی منجر به پدیدار شدن این نوع خطا میگردد. روشهای عددی مختلف خطای گسسته سازی متفاوتی نیز دارند. حتی در یک روش مشخص نیز خطای گسستهسازی میتواند با توجه به توزیع و تعداد المانهای شبکه محاسباتی متفاوت گردد.
خطای دادههای ورودی : این خطا از هندسهی جریان، و سادهسازیهای اعمال شده در مدلسازی آن ناشی میشود.
خطای شرایط مرزی و شرایط اولیه : از آنجایی که شرایط مرزی و شرایط اولیه تقریبی از حالت واقعی میباشند، این دسته از خطاها در محاسبات بسیار رایج است. به عنوان مثال وارد کردن اطلاعات به هنگام ورود و خروج سیال از دامنه در محاسبات امری ضروری میباشد، در حالی که در واقعیت ویژگیهای جریان در این نواحی به طور دقیق مشخص نمیباشد.
خطای مدلسازی : بسیاری از جریانهای پیچیده در بردارندهی پدیدههای فیزیکی هستند که در حال حاضر توسط تئوریهای علمی به طور مناسب تشریح نشده اند. مدلهای عددی که برای حل این پدیدهها به کار گرفته میشوند همواره دارای خطا میباشند. به عنوان مثال مدلسازی آشفتگی، مدلیسازی اتمسفری، سیال پلیمری، جریان چندفازی و سایر موارد.
به عنوان یک ابزار تحقیق و توسعه دینامیک سیالات محاسباتی، مکمل تئوریها و فعالیتهای تجربی در حوزهی دینامیک سیالات میباشد. برخی از مزایای دینامیک سیالات محاسباتی را میتوان در موارد زیر عنوان کرد.
- با صرف هزینهی کم و تمرینهای کوتاه مدت به سرعت قابل به کارگیری میباشد. لازم به ذکر است که تفسیر نتایج آن نیاز به تجربه و دانش بالایی دارد. برخلاف بسیاری از کالاها که هزینهی آنها همواره رو به افزایش است، هزینهی محاسبات به دلیل افزایش ظرفیت کامپیوترها روند نزولی دارد.
- به کمک متغیرهایی که در محاسبات شناسایی میگردند، اطلاعات جامعی از پدیدهی مورد بررسی قابل استخراج است.
- به سادگی امکان تغییر متغیرها وجود دارد. در CFD میتوان رفتار سیال را در گسترهی وسیعی از تغییرات ویژگیهای جریان بررسی کرد، که به واسطهی آن امکان بهینهسازی میسر میگردد. در حالت واقعی چنین تغییراتی یا غیرممکن یا پرهزینه میباشد.
- این قابلیت را دارد تا به کمک آن شرایط واقعی یا ایدهآل را شبیه سازی کرد. این در حالی است که در آزمایشهای تجربی ممکن است نیاز به مدلها با مقیاسهای بسیار بزرگ یا بسیار کوچک باشد و از طرفی دیگر حلهای تحلیلی نیز عمدتا برای پدیدههای بسیار محدودی قابل ارزیابی میباشند.
- به کمک CFD میتوان پدیدههای غیر طبیعی یا ناخواسته نظیر آتشسوزی، انفجار یا انهدام را بررسی کرد.
چرا از CFD استفاده میکنیم؟
تحلیلهای CFD پتانسیل بزرگی برای صرفه جویی در زمان در فرآیندهای طراحی داشته و در مقایسه با روشهای تجربی و آزمایشی در دستیابی به نتایج بسیار سریعتر و ارزانتر میباشد. از طرفی دیگر در دنیای واقعی اندازه گیری تمامی مقادیر دلخواه در یک لحظه مشخص با محدودیتهایی مواجه است، که در نقطهی مقابل به کمک CFD میتوان تمامی کمیتهای دلخواه را در یک لحظه با دقت بالایی نسبت به زمان و مکان اندازهگیری کرد. نتایج حاصل از تحلیلهای CFD تنها تقریبی از مقادیر فیزیکی واقعی میباشد. به همین دلیل لازم به ذکر است که تحلیلهای CFD نمیتواند به صورت کامل جایگزین روشهای اندازهگیری تجربی شود. برای اعتبارسنجی و تایید صحت نتایج حاصل شده از CFD دادههای آزمایشگاه بایستی همواره با آنها مقایسه گردد.
یک حل CFD را چگونه میتوان پیادهسازی کرد؟
یک تحلیل CFD به طور کلی شامل سه مرحله زیر میباشد
پیش پردازش
در این مرحله مسئله به یک مدل کامپیوتری گسسته و ایده آل شده تبدیل شده و فرضیات باتوجه به نوع سیال مدل شده وضع میگردد (مانند سیال ویسکوز یا غیرلزج، سیال تراکمپذیر یا تراکمناپذیر، سیال پایا یا گذرا و … ). فعالیتهای دیگر در این مرحله ایجاد شبکه و اعمال شرایط مرزی و شرایط اولیه بر روی دامنه مسئله یا همان هندسه مورد بررسی میباشد.
حل
محاسبات مدنظر به وسیلهی حلگر انجام میشود، و اجرای محاسبات نیازمند به قدرت سیستم پردازشی دارد. تا کنون حلگرهای بسیار زیادی برای شبیه سازی فرآیندها و پدیدههای مختلف سیالاتی برنامهنویسی شده، که میتوان بسته به نوع پدیده و فرآیند مورد بررسی از آنها بهره جست.
پس پردازش
در نهایت، نتایج به دستآمده در این گام مجسم شده و در نرمافزارهای گرافیکی برای تحلیل بیشتر به نمایش در میآیند. در این گام کارشناس میتواند نتایج را به منظور تایید و نتیجهگیری مورد بررسی قرار دهد. روشهای ارائه نتایج شامل تصاویر ثابت یا متحرک، نمودارها یا جدولها میباشد.
